电工电子技术第3章磁路与变压器课件

第二部分电机与控制工程实用技术第二部分工程实用技术1变压器电动机继电—接触器控制工作原理电磁感应定律和电磁力定律组成电路与磁路第三章磁路与变压器磁性材料的磁性质磁路的欧姆定律交流铁心线圈电路变压器的工作原理自耦变压器变压器的使用额定值主要内容主要内容变压器电动机继电—接触器控制工作原理23-1磁性材料的磁性质一.磁场的基本物理量磁路限定在一定空间范围内的磁场磁场存在的一种特殊形式I磁场线表示磁场的分布情况磁场的方向和强弱Φ的单位韦[伯](Wb)通过与磁场线方向垂直的截面内磁场线的总数磁通Φ磁通Φ磁感应强度B表示磁场内某点磁场方向和强弱的物理量3-1磁性材料的磁性质一.磁场的基本物理量磁3磁感应强度B磁通密度单位特[斯拉](T)在均匀磁场内矢量方向与B同磁场强度HHI1I3I2dl全电流定律磁场强度矢量沿任意闭合路径的线积分只与产生它的电流有关,而与磁场中的介质无关磁场强度H的单位安[培]每米(A／m)磁感应强度B磁通密度单位特[斯拉](T)在均匀磁场4磁导率μ表示介质导磁能力的物理量B=μH磁导率μ的单位亨[利]每米(H／m)介质的μ越大,导磁能力越强真空的磁导率相对磁导率磁导率μ表示介质导磁能力的物理量B=μH磁导率μ的单位5二.磁性材料的磁性质非磁性材料在外界磁场的作用下,基本上不表现出磁性,不产生附加磁场,磁导率μ≈μ0,相对磁导率μr≈1磁性材料在外界磁场的作用下,被强烈磁化,产生附加磁场,并大大加强外磁场磁感应强度B与磁场强度H之间B≈μ0HHB0具有线性正比关系二.磁性材料的磁性质非磁性材料在外界磁场的作用下,基本上6外磁场磁畴常用的磁性材料铁、镍、钴及其合金(一)高导磁性磁导率μ＞＞μ0相对磁导率μr＞＞

1小电流产生强磁场(磁感应强度B=μH足够大)磁性材料的磁性质外磁场磁畴常用的磁性材料铁、镍、钴及其合金(一)高导磁性磁导7（二）磁饱和性非线性关系磁化曲线B(Φ)--H(I)曲线B(Φ)H(I)0acbd饱和段cd0a段起始段ab段B–H有近似线性正比关系bc段B–H增加上升缓慢μ--H(I)关系曲线饱和段μ急剧减小μ（二）磁饱和性非线性关系磁化曲线B(Φ)--H(I)曲线B8(三)磁滞性交流电流i励磁0HCHm--Hm--HCBr--BrBH磁滞回线基本磁化曲线i励磁线圈环形铁心磁滞损耗(三)磁滞性交流电流i励磁0HCHm--Hm--HCBr--93-2磁路和磁路的欧姆定律一.磁路磁场线集中通过的路径电气设备中的导磁路径小电流产生强磁场磁路举例p119图3-2-1小段空气隙也是磁路的组成部分二.磁路的欧姆定律揭示了磁路中磁通Φ与励磁电流I之间的关系环形铁心磁路励磁电流IIr磁场线沿铁心呈同心圆状分布3-2磁路和磁路的欧姆定律一.磁路磁场线集中通过的路10磁场强度环形铁心内某点磁场强度只与励磁电流I和线圈匝数N、与该点位置有关，而与磁介质（μ）无关磁感应强度磁通全电流定律环形磁路平均长度N－励磁线圈匝数磁场强度环形铁心内某点磁场强度只与励磁电流I和线圈匝数N、与11磁通磁通或磁通势F=NI产生磁场的激励取磁阻磁路的欧姆定律磁通磁通或磁通势F=NI产生磁场的激励取磁阻磁路的123-3交流铁心线圈电路i--++ueφ直流磁路交流磁路磁路直流磁路直流电流励磁磁通Φ恒定不变,不在线圈内产生感应电动势线圈内电流、电压关系与一般直流电路相同交流磁路交流电流i励磁，磁通φ变化，在线圈内产生感应电动势e。励磁线圈与磁路结合在一起，不可分割交流铁心线圈电路3-3交流铁心线圈电路i--++ueφ直流磁路交流磁路13一.各电磁量之间的关系注意正方向交流电压u励磁电流i磁通势Ni主磁通φi--++ueφ感应电动势二.主磁通与感应电动势感应电动势外加电压u是正弦电压,主磁通φ按正弦规律变化主磁通φ=Φmsinωt一.各电磁量之间的关系交流电压u励磁电流i磁通势Ni主磁14感应电动势感应电动势的有效值上式是分析变压器、交流电动机中电压、电流有效值U、I和主磁通最大值Φm关系的重要依据感应电动势感应电动势的有效值上式是分析变压器、交流电动机中电15i--++ueφ三.电压平衡方程略去漏磁通(极小)和导线电阻(极小)的影响KVLu

≈

-e相量表示式有效值U≈E=4.44fNΦm恒磁通原理电源电压有效值U和频率f保持不变,线圈的匝数N不变,主磁通的最大值φm就基本不变i--++ueφ三.电压平衡方程略去漏磁通(极小)和导线电阻16φi减小涡流损耗铁心用薄硅钢片叠成(二)磁滞损耗磁滞损耗的大小正比于磁滞回线包围的面积用硅钢片叠成的铁心磁滞回线四.涡流损耗和磁滞损耗铁损涡流损耗和磁滞损耗铜损(一)涡流损耗φi涡流涡流和涡流损耗所包围的面积小,磁滞损耗小φi减小涡流损耗铁心用薄硅钢片叠成(二)磁滞损耗磁滞损耗的大173-4变压器的工作原理变压器的主要功能是能够把某一电压数值的交流电变换为同频率的另一电压数值的交流电----变电压主要用于输电、配电系统除此之外，变压器还具有变电流、变阻抗的作用，用于电工测量和电子技术领域一.变压器的基本结构p124铁心磁路用硅钢片交错叠装或卷绕而成线圈（绕组）绕在铁心上的两个（或以上）线圈心式变压器壳式变压器3-4变压器的工作原理变压器的主要功能是能够把某一电18交流电源负载凡表示二次绕组各量的字母均标注下标“2”如二次绕组电压（有效值）U2二次绕组电流（有效值）I2二次绕组匝数N2凡表示一次绕组各量的字母均标注下标“1”如一次绕组电压（有效值）U1一次绕组电流（有效值）I1一次绕组匝数N1图形符号U2U1－＋＋－二次绕组（副方绕组、次级绕组）外接负载一次绕组（原方绕组、初级绕组）外接交流电源交流电源负载凡表示二次绕组各量的字母均标注下标“2”如二次绕19二.变压器的工作原理以电磁感应定律为基础,通过磁路(磁场)将两个(或以上)的绕组耦合起来,进行交流电能的传送与转换-+i0-+-+-+u1e2φu20i2=0ZLe1(一)空载运行状态---变电压作用一次绕组外加额定电压,二次绕组开路,i2=0一次绕组—-空载电流,用i0表示此时的变压器就相当于是一个交流铁心线圈升压变压器U1＜U2降压变压器U1＞

U2二.变压器的工作原理以电磁感应定律为基础,通过磁路(磁场)将20u1i0N1i0主磁通φ-+i0-+-+-+u1e2φu20i2=0ZLe1电磁量之间的关系一次绕组u1≈-e1E1=4.44fN1ΦmU1≈E1=4.44fN1Φm二次绕组E2=4.44fN2Φmu1i0N1i0主磁通φ-+i0-+-+-+u1e2φu2021一次绕组U1≈E1=4.44fN1Φm二次绕组E2=4.44fN2Φm空载状态u20≈e2U20≈E2=4.44fN2Φm变电压作用-+i0-+-+-+u1e2φu20i2=0ZLe1变比K一次绕组U1≈E1=4.44fN1Φm二次绕组22电源电压U1固定,改变一、二次绕组的匝数N1和N2，即可得到不同数值的二次绕组电压U2，实现变换电压的目的变压器铭牌上的额定电压用分数表示的一、二次绕组的电压数值U1N和U2N。其中U2N即为一次绕组加入额定电压U1N后，二次绕组的空载（开路）电压例如6000／400V（K=15）变压器在负载状态下运行，且达到满载时，二次绕组的电压U2较U2N通常降低（3～5）%电源电压U1固定,改变一、二次绕组的匝数N1和N2，即可得23（二）负载运行状态---变电流作用φu1ZL-+-+e1i1i2e2-+u2-+二次绕组接入负载,产生二次绕组电流i2,向负载输出电功率空载电流i0的作用只是产生主磁通，又称励磁电流，数值很小，只占额定电流的百分之几1.变压器的变电流作用此时，一次绕组电流必定增加，由空载电流i0增加为i1（二）负载运行状态---变电流作用φu1ZL-+-+e1i124负载运行时，主磁通φ由一、二次绕组的磁通势N1i1和N2i2共同作用产生(N1i1+N2i2)φu1ZL-+-+e1i1i2e2-+u2-+根据公式（3-13）U1≈E1=4.44fN1Φm当U1、f、N1固定不变时，Φm也将固定不变由于空载运行和负载运行时主磁通基本不变，所以产生它们的激励N1i0和（

N1i1+N2i2）应该近似相等N1i1+N2i2≈

N1i0负载运行时，主磁通φ由一、二次绕组的磁通势N1i1和N225N1i1+N2i2≈

N1i0相量表示式磁通式平衡方程变换可得瞬时值表示式负载运行时一次绕组电流由两部分组成励磁分量与负载电流成正比,但相位相反数值很小,可以近似略去负载分量N1i1+N2i2≈N1i0相量表示式磁通式平衡方程变26有效值表示式或变电流作用在额定工作状态下,一、二次绕组额定电流之比等于其变比K的倒数2.变压器的外特性和电压调整率外特性U2=f(I2)条件保持电源电压U1、负载的功率因数λ2=cosφ2不变U2I2U20I2N0U2感性负载的外特性有效值表示式或变电流作用在额定工作状态下,一、二次绕27△U%表示供电电压的稳定性一般电力变压器的△U%在3%～5%之间电压调整率变压器从空载（I2=0）到额定工作状态（I2N），二次绕组电压变化量与空载电压U20之比U2I2U20I2N0U2△U%表示供电电压的稳定性一般电力变压器的△U%在3%～528等效负载阻抗（三）变压器的变换阻抗作用ZL-++-+-U1≈

E1=4.44fN1ΦmU2≈

E2=4.44fN2Φm负载阻抗等效负载阻抗（三）变压器的变换阻抗作用ZL-++-+-U129一次侧等效负载阻抗变换化简公式(3-19)ZL-++-+-一次侧等效负载阻抗变换化简公式(3-19)ZL-++-+-30阻抗匹配在电子电路中,为了使负载得到最大功率输出,要求负载的阻抗与信号源的阻抗之间满足确定的要求以下详见例题3-3

p130变压器变换阻抗作用的应用阻抗匹配阻抗匹配在电子电路中,为了使负载得到最大功率313-5变压器的额定值一.额定电压U1N和U2N二.额定电流I1N和I2N三.额定容量SNSN=U2NI2N二次绕组的额定视在功率单位VA或KVA四.额定频率fN例题3-1自学3-5变压器的额定值一.额定电压U1N和U2N二.32例题3-2p129解(1)一次绕组的额定电流二次绕组的额定电流(2)每盏日光灯的电流变压器满载时可接入的日光灯数盏例题3-2p129解(1)一次绕组的额定电流二次绕组33例题3-3信号源RL+-R0(1)扬声器直接与信号源连接负载获得的功率(2)负载获得最大功率的条件R0利用变压器的变换阻抗作用+-信号源RL代入数据例题3-3信号源RL+-R0(1)扬声器直接与信号源连接负载34变压器一次绕组的电流负载得到的功率实现阻抗匹配变压器一次绕组的电流负载得到的功率实现阻抗匹配353-8特殊用途的变压器一.自耦变压器特点输出电压可以根据需要连续、均匀的调节结构只有一个绕组，绕组上有一个滑动抽头-+ΦmN1N2-+aN2N1++--a一、二次侧共用一个绕组，一、二次绕组既有磁的耦合，又有电的直接联系3-8特殊用途的变压器一.自耦变压器特点输出36-+ΦmN1N2-+aN2N1++--a一次绕组加入电源电压U1→工作磁通Φm→一、二次绕组中产生E1、

E2空载时-+ΦmN1N2-+aN2N1++--a一次绕组加入电源电压37略去绕组内部导线电阻等的影响，负载状态下可用于升压N2＞

N1安全操作正确接线外壳接地略去绕组内部导线电阻等的影响，负载状态下可用于升压N38

本章结束本章结束39第二部分电机与控制工程实用技术第二部分工程实用技术40变压器电动机继电—接触器控制工作原理电磁感应定律和电磁力定律组成电路与磁路第三章磁路与变压器磁性材料的磁性质磁路的欧姆定律交流铁心线圈电路变压器的工作原理自耦变压器变压器的使用额定值主要内容主要内容变压器电动机继电—接触器控制工作原理413-1磁性材料的磁性质一.磁场的基本物理量磁路限定在一定空间范围内的磁场磁场存在的一种特殊形式I磁场线表示磁场的分布情况磁场的方向和强弱Φ的单位韦[伯](Wb)通过与磁场线方向垂直的截面内磁场线的总数磁通Φ磁通Φ磁感应强度B表示磁场内某点磁场方向和强弱的物理量3-1磁性材料的磁性质一.磁场的基本物理量磁42磁感应强度B磁通密度单位特[斯拉](T)在均匀磁场内矢量方向与B同磁场强度HHI1I3I2dl全电流定律磁场强度矢量沿任意闭合路径的线积分只与产生它的电流有关,而与磁场中的介质无关磁场强度H的单位安[培]每米(A／m)磁感应强度B磁通密度单位特[斯拉](T)在均匀磁场43磁导率μ表示介质导磁能力的物理量B=μH磁导率μ的单位亨[利]每米(H／m)介质的μ越大,导磁能力越强真空的磁导率相对磁导率磁导率μ表示介质导磁能力的物理量B=μH磁导率μ的单位44二.磁性材料的磁性质非磁性材料在外界磁场的作用下,基本上不表现出磁性,不产生附加磁场,磁导率μ≈μ0,相对磁导率μr≈1磁性材料在外界磁场的作用下,被强烈磁化,产生附加磁场,并大大加强外磁场磁感应强度B与磁场强度H之间B≈μ0HHB0具有线性正比关系二.磁性材料的磁性质非磁性材料在外界磁场的作用下,基本上45外磁场磁畴常用的磁性材料铁、镍、钴及其合金(一)高导磁性磁导率μ＞＞μ0相对磁导率μr＞＞

1小电流产生强磁场(磁感应强度B=μH足够大)磁性材料的磁性质外磁场磁畴常用的磁性材料铁、镍、钴及其合金(一)高导磁性磁导46（二）磁饱和性非线性关系磁化曲线B(Φ)--H(I)曲线B(Φ)H(I)0acbd饱和段cd0a段起始段ab段B–H有近似线性正比关系bc段B–H增加上升缓慢μ--H(I)关系曲线饱和段μ急剧减小μ（二）磁饱和性非线性关系磁化曲线B(Φ)--H(I)曲线B47(三)磁滞性交流电流i励磁0HCHm--Hm--HCBr--BrBH磁滞回线基本磁化曲线i励磁线圈环形铁心磁滞损耗(三)磁滞性交流电流i励磁0HCHm--Hm--HCBr--483-2磁路和磁路的欧姆定律一.磁路磁场线集中通过的路径电气设备中的导磁路径小电流产生强磁场磁路举例p119图3-2-1小段空气隙也是磁路的组成部分二.磁路的欧姆定律揭示了磁路中磁通Φ与励磁电流I之间的关系环形铁心磁路励磁电流IIr磁场线沿铁心呈同心圆状分布3-2磁路和磁路的欧姆定律一.磁路磁场线集中通过的路49磁场强度环形铁心内某点磁场强度只与励磁电流I和线圈匝数N、与该点位置有关，而与磁介质（μ）无关磁感应强度磁通全电流定律环形磁路平均长度N－励磁线圈匝数磁场强度环形铁心内某点磁场强度只与励磁电流I和线圈匝数N、与50磁通磁通或磁通势F=NI产生磁场的激励取磁阻磁路的欧姆定律磁通磁通或磁通势F=NI产生磁场的激励取磁阻磁路的513-3交流铁心线圈电路i--++ueφ直流磁路交流磁路磁路直流磁路直流电流励磁磁通Φ恒定不变,不在线圈内产生感应电动势线圈内电流、电压关系与一般直流电路相同交流磁路交流电流i励磁，磁通φ变化，在线圈内产生感应电动势e。励磁线圈与磁路结合在一起，不可分割交流铁心线圈电路3-3交流铁心线圈电路i--++ueφ直流磁路交流磁路52一.各电磁量之间的关系注意正方向交流电压u励磁电流i磁通势Ni主磁通φi--++ueφ感应电动势二.主磁通与感应电动势感应电动势外加电压u是正弦电压,主磁通φ按正弦规律变化主磁通φ=Φmsinωt一.各电磁量之间的关系交流电压u励磁电流i磁通势Ni主磁53感应电动势感应电动势的有效值上式是分析变压器、交流电动机中电压、电流有效值U、I和主磁通最大值Φm关系的重要依据感应电动势感应电动势的有效值上式是分析变压器、交流电动机中电54i--++ueφ三.电压平衡方程略去漏磁通(极小)和导线电阻(极小)的影响KVLu

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-e相量表示式有效值U≈E=4.44fNΦm恒磁通原理电源电压有效值U和频率f保持不变,线圈的匝数N不变,主磁通的最大值φm就基本不变i--++ueφ三.电压平衡方程略去漏磁通(极小)和导线电阻55φi减小涡流损耗铁心用薄硅钢片叠成(二)磁滞损耗磁滞损耗的大小正比于磁滞回线包围的面积用硅钢片叠成的铁心磁滞回线四.涡流损耗和磁滞损耗铁损涡流损耗和磁滞损耗铜损(一)涡流损耗φi涡流涡流和涡流损耗所包围的面积小,磁滞损耗小φi减小涡流损耗铁心用薄硅钢片叠成(二)磁滞损耗磁滞损耗的大563-4变压器的工作原理变压器的主要功能是能够把某一电压数值的交流电变换为同频率的另一电压数值的交流电----变电压主要用于输电、配电系统除此之外，变压器还具有变电流、变阻抗的作用，用于电工测量和电子技术领域一.变压器的基本结构p124铁心磁路用硅钢片交错叠装或卷绕而成线圈（绕组）绕在铁心上的两个（或以上）线圈心式变压器壳式变压器3-4变压器的工作原理变压器的主要功能是能够把某一电57交流电源负载凡表示二次绕组各量的字母均标注下标“2”如二次绕组电压（有效值）U2二次绕组电流（有效值）I2二次绕组匝数N2凡表示一次绕组各量的字母均标注下标“1”如一次绕组电压（有效值）U1一次绕组电流（有效值）I1一次绕组匝数N1图形符号U2U1－＋＋－二次绕组（副方绕组、次级绕组）外接负载一次绕组（原方绕组、初级绕组）外接交流电源交流电源负载凡表示二次绕组各量的字母均标注下标“2”如二次绕58二.变压器的工作原理以电磁感应定律为基础,通过磁路(磁场)将两个(或以上)的绕组耦合起来,进行交流电能的传送与转换-+i0-+-+-+u1e2φu20i2=0ZLe1(一)空载运行状态---变电压作用一次绕组外加额定电压,二次绕组开路,i2=0一次绕组—-空载电流,用i0表示此时的变压器就相当于是一个交流铁心线圈升压变压器U1＜U2降压变压器U1＞

U2二.变压器的工作原理以电磁感应定律为基础,通过磁路(磁场)将59u1i0N1i0主磁通φ-+i0-+-+-+u1e2φu20i2=0ZLe1电磁量之间的关系一次绕组u1≈-e1E1=4.44fN1ΦmU1≈E1=4.44fN1Φm二次绕组E2=4.44fN2Φmu1i0N1i0主磁通φ-+i0-+-+-+u1e2φu2060一次绕组U1≈E1=4.44fN1Φm二次绕组E2=4.44fN2Φm空载状态u20≈e2U20≈E2=4.44fN2Φm变电压作用-+i0-+-+-+u1e2φu20i2=0ZLe1变比K一次绕组U1≈E1=4.44fN1Φm二次绕组61电源电压U1固定,改变一、二次绕组的匝数N1和N2，即可得到不同数值的二次绕组电压U2，实现变换电压的目的变压器铭牌上的额定电压用分数表示的一、二次绕组的电压数值U1N和U2N。其中U2N即为一次绕组加入额定电压U1N后，二次绕组的空载（开路）电压例如6000／400V（K=15）变压器在负载状态下运行，且达到满载时，二次绕组的电压U2较U2N通常降低（3～5）%电源电压U1固定,改变一、二次绕组的匝数N1和N2，即可得62（二）负载运行状态---变电流作用φu1ZL-+-+e1i1i2e2-+u2-+二次绕组接入负载,产生二次绕组电流i2,向负载输出电功率空载电流i0的作用只是产生主磁通，又称励磁电流，数值很小，只占额定电流的百分之几1.变压器的变电流作用此时，一次绕组电流必定增加，由空载电流i0增加为i1（二）负载运行状态---变电流作用φu1ZL-+-+e1i163负载运行时，主磁通φ由一、二次绕组的磁通势N1i1和N2i2共同作用产生(N1i1+N2i2)φu1ZL-+-+e1i1i2e2-+u2-+根据公式（3-13）U1≈E1=4.44fN1Φm当U1、f、N1固定不变时，Φm也将固定不变由于空载运行和负载运行时主磁通基本不变，所以产生它们的激励N1i0和（

N1i1+N2i2）应该近似相等N1i1+N2i2≈

N1i0负载运行时，主磁通φ由一、二次绕组的磁通势N1i1和N264N1i1+N2i2≈

N1i0相量表示式磁通式平衡方程变换可得瞬时值表示式负载运行时一次绕组电流由两部分组成励磁分量与负载电流成正比,但相位相反数值很小,可以近似略去负载分量N1i1+N2i2≈N1i0相量表示式磁通式平衡方程变65有效值表示式或变电流作用在额定工作状态下,一、二次绕组额定电流之比等于其变比K的倒数2.变压器的外特性和电压调整率外特性U2=f(I2)条件保持电源电压U1、负载的功率因数λ2=cosφ2不变U2I2U20I2N0U2感性负载的外特性有效值表示式或变电流作用在额定工作状态下,一、二次绕66△U%表示供电电压的稳定性一般电力变压器的△U%在3%～5%之间电压调整率变压器从空载（I2=0）到额定工作状态（I2N），二次绕组电压变化量与空载电压U20之比U2I2U20I2N0U2△